EnErgiEEffiziEnzFeldtest

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Adsorptions-Wärmepumpe mit Zeolith überzeugt im FeldtestErgebnisse aus dem Feldtest Gas-Wärmepumpen

Auf der ISH 2009 stellte Vaillant erstmals seine Zeolith-Gas-Wärmepumpe „zeoTHERM“ als effizientestes Gas-Heizgerät der Welt im kleinen Leistungsbereich vor. Die Technologiekombination und die Nutzung von Zeolith für die Wärmeerzeugung im Haustechnikbe-reich war neu für die Branche. Das Remscheider Unternehmen versprach vor drei Jahren eine Effizienzsteigerung von rund 25 % ge-genüber einem aktuellen Gas-Brennwertgerät. Ein aktueller Feldtest unter dem Dach der Initiative Gas-Wärmepumpen (IGWP) belegt jetzt, dass die Steigerung der Effizienz sogar noch deutlicher ausfallen kann.

Was ist Zeolith und welche Eigenschaften besitzt es? Zeo- lithe sind poröse Keramikwerk-stoffe. Die Adsorptionseigen-schaften eines Zeolithen hän-gen von seiner Zusammenset-zung und seiner Porenstruktur ab.

Die besonderen Eigenschaf-ten des Zeolith werden bereits seit Jahrzehnten in verschie-densten technischen Bereichen genutzt – insbesondere in der Gastrennung und Gasreinigung

als Molekularsiebe; seit Beginn der 80er-Jahre beispielsweise in Waschmitteln. Hier haben Zeolithe die Polyphosphate er-setzt und sorgen für eine um-weltschonende Wasserenthär-tung – denn Zeolithe sind un-giftig, nicht brennbar und in jeder Hinsicht umweltverträg-lich.

Die Aluminiumoxid- und Si-liciumoxid-Moleküle im Aufbau des Zeolith sind die sogenann-ten Sodalithkäfige. Sehr viele

dieser Sodalithkäfige ergeben zusammen wiederum eine Ma-kroporenstruktur, durch die der Zeolith eine extreme Porö-sität und damit eine sehr große innere Oberfläche erhält. Ein Gramm Zeolith kann bereits eine innere Oberfläche von rund 1000 m² haben. Für die Anwendung in der Heiztechnik wird ein Zeolith verwendet, des-sen Porengröße genau der Grö-ße eines Wassermoleküls ent-spricht.

Freie Wassermoleküle voll-ziehen im Raum normalerwei-se eine Eigenbewegung – die Brownsche Molekularbewe-gung. Da der Zeolith stark hy-groskopisch, sprich wasseran-ziehend ist, zieht er die Wasser-moleküle in einer Verbindung an sich heran und lagert diese in den Poren seiner Oberfläche an. Das Wassermolekül kann dadurch seine natürliche Ei-genbewegung nicht mehr voll-ziehen und wird abgebremst. Diese Bewegungsenergie des Wassermoleküls wird dabei in Wärmeenergie umgewandelt. Weil es sich hierbei um einen rein physikalischen und kei-nen chemischen Prozess han-delt, ist er in jeder Form rever-sibel. D. h.: Mit entsprechender Zuführung von Wärmeenergie kann das Wasser als Wasser-dampf aus dem Zeolith ausge-trieben werden.

25 % mehr Energieeffizienz Die Zielsetzung, die sich

Vaillant bei der Entwicklung der weltweit ersten Nutzung von Zeolith in der Heiztechnik stellen musste, war insofern so-wohl die Adsorptions- als auch die Kondensationswärme in der Desorption im Heizgerät zu nutzen. Dabei musste die zu-geführte Energiemenge in der Desorptionsphase so gering wie möglich gehalten werden, um eine möglichst positive Ener-giebilanz zu erzielen. Und die-se Energiebilanz sollte überzeu-

Die Zeolith-Gas-Wärmepumpe besteht aus einer klassischen Gas-Brennwertzelle und dem Zeolith-Modul in einem gemeinsamen Gehäuse. Beispielsweise drei Solar-Flachkollektoren, ein solarer Warmwasserspeicher und eine Regelung vervollständigen das System.

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gen: 25 % höher als bei einem aktuellen Gas-Brennwertgerät sollte die Energieeffizienz aus-fallen.

Für den jetzt abgeschlos-senen IGWP-Feldtest wurden „zeoTHERM“ Geräte der Gene-ration 3 deutschlandweit in-stalliert und umfangreich ver-messen. Dabei zeigte sich die erwartete System-Wirkungs-gradverbesserung (Wärme in Heizung + Wärme in Spei-cher / Wärmemenge Gas) von etwa 25 % im Vergleich zu einem reinen Brennwertgerät mit einer Fußbodenheizungs-anlage. Als vorteilhaft erwie-sen sich in diesem Zusammen-hang sonnenreiche Gebiete und ein geringer Gebäudeheizwär-mebedarf (Grafik 1).

An den hohen Wirkungs-graden bei kleinen Gebäude-heizlasten wird ersichtlich, dass der Wärmebedarf im rei-nen Wärmepumpenbetrieb ge-deckt werden kann. Bei höheren Heizlasten wird der Anteil des Direktheizbetriebes durch Gas stets größer und die Gesamtef-fizienz fällt ab. Die Darstellung gilt für ein schon verbessertes Gerät der neuen Generation 4 mit solarer Direktheizung. Der tendenzielle Verlauf bei der Ge-neration 3 ist aber identisch.

nutzung der Solarkollektoren

Im Jahr 2011 wurde dann die Mehrzahl dieser Wärme-pumpen von Stand Genera- tion 3 auf den Stand Genera-tion 4 mit integrierter solarer Direktheizung umgerüstet, um noch weitere Ergebnisse des op-timierten Systems zu erhalten. Bei ausreichender solarer Strah-lung ist entsprechend auch ein Parallelbetrieb von direkter so-larer Brauchwasserbereitung und solarer Direktheizung mög-lich. Durch diese Kombinati-onen können die Solarkollek-toren über ein Temperaturband von 3 °C bis 130 °C genutzt wer-den (Grafik 2).

Die solare Direktheizung ohne Pufferspeicher vermei-det Speicherverluste und er-

möglicht somit in Kombina- tion mit der Wärmepumpe eine solare Heizungsunterstützung mit nur 7 m² Flachkollektor bzw. 6 m² Vakuum-Röhrenkol-lektoren (Grafik 3).

Bei Betrachtung der Feld-testanlagen erkennt man die Funktion der solaren Direkthei-zung sehr gut. In Grafik 4 wer-den die zeitlichen Anteile von Brennwertbetrieb DHB (inklusi-ve Brauchwasserbereitung), von Wärmepumpenbetrieb WP und von solarer Direktheizung SDH vom 20. bis zum 24. 10. 2011 an 10 Feldtestgeräten aus ganz Deutschland dargestellt.

Im Mittel wurde der Wär-mebedarf im oben genannten Zeitraum in 24 % der Heizzeit über SDH gedeckt. Die Umge-bungstemperatur lag in diesem Zeitraum bei 3 – 10 °C bei leich-ter Bewölkung. Sogar in den Wintermonaten Januar bis März 2012 konnte ein zeitlicher An-teil von 10 % im Mittel festgehal-ten werden. Durch die SDH ist der Systemwirkungsgrad von Stand Generation 3 zu Stand Generation 4 um etwa 10 % an-gestiegen.

Auch Ergebnisse aus einer Simulation zeigen einen De-ckungsanteil zwischen 5 % (bei 4 m² Aperturfläche, 3 Personen Warmwassernutzung) und 16 % (bei 9 m² Aperturfläche, 6 Per-sonen Warmwassernutzung) solarer Direktheizung im Jah-resmittel bei verschiedensten Anlagenkombinationen. Die energetisch empfohlene Anlage mit einem 300-l-Solarspeicher, bei einem 3- bis 4-Personen-haushalt und 7,05 m² Apertur-fläche hat auch laut Simulati-on einen solaren Deckungsan-teil für die Heizung von 11 % mit einem Deckungsanteil für die Brauchwasserbereitung von 60 %. Diese Ergebnisse zei-gen sich trotz einer Kannibali-sierung der solaren Warmwas-serbereitung durch die solare Direktheizung. Bei höherem Warmwasserbedarf wäre diese Kannibalisierung aber leicht durch einen zusätzlichen Kol-lektor aufzufangen.

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Grafik 4: Verteilung der Heizungsanteile 20. – 24. 10. 2011 bei verschie-denen „zeoTHERM“ Zeolith-Gas-Wärmepumpen.

Grafik 2: Darstellung der nutzbaren Solar-Kollektortemperaturen von 3 bis 130 °C.

Grafik 3: Simulation der direkten solaren Heizungsunterstützung am Bei-spiel eines VPS 1000-l-Pufferspeichers und eines 300-l-Solarspeichers.

Grafik 1: „zeoTHERM“ Gesamt-Jahresnutzungsgrad nach VDI 4650, Blatt 2.

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Vorteile für Vakuum-röhrenkollektoren

Ein weiterer Untersuchungs-punkt des Feldtests war der Unterschied der Wärmequel-len Vakuum-Röhrenkollektor /  Flachkollektor. Für diese Unter-suchung wurden vier Anlagen mit Vakuum-Röhrenkollektoren ausgestattet (3 x 6 m², 1 x 5 m²). Ein Vergleich der Anlagen lässt leicht erkennen, dass der Vaku-um-Röhrenkollektor speziell bei diffusem Licht deutlich höhere Temperaturen zur Verfügung stellt (Grafik 5-A / 5-B).

So erzeugt die Anlage mit den Röhren bei diffusem Licht eine mittlere Temperaturerhö-hung zur Umgebungstempera-tur von 12,5 °C, während der Flachkollektor in der Nachbar-schaft nur 5 °C zur Verfügung stellt. Bei starker Sonnenein-strahlung liegen die Tempera-turen in ähnlicher Größenord-nung.

Auch die Simulation bestä-tigt diese Ergebnisse, nach der ein Vakuum-Röhrenkollektor im Jahresmittel um 5,3 K hö-here Temperaturen aufweist als der Flachkollektor. Diese

erhöhten Quellentemperaturen begünstigen den Betrieb von Anlagen bei höheren Heiztem-peraturen (55 °C / 45 °C, Radia- toren). Somit gilt die Empfeh-lung „Heizsysteme mit höheren Heiztemperaturen sollten auch mit Vakuum-Röhrenkollektoren ausgestattet werden“.

Wie in der VDI4650 Blatt 2 beschrieben bestimmt sich die mittlere Temperaturdifferenz zwischen Kollektortempera-tur und Umgebungstempera-tur nach

mit A die Aperturfläche des Kol-

lektors in m2

∆TR   die Referenztemperatur-differenz

AR Referenzkollektorfläche

nach den Parametern für Flach-kollektoren aus der Tabelle.

Für die Vakuum-Röhrenkol-lektoren ergeben sich dann, ab-geleitet aus Simulationen und den Feldergebnissen die Ergeb-nisse wie in der Tabelle 1.

funKtionSprinzip dEr zEolith-gaS-Wp „zEothErM“

Der Sorptionsprozess läuft in zwei wesentlichen Schritten ab: Zunächst wird der Wasserdampf aus dem Zeolith ausgetrieben. Durch den Adsorber / Desorber strömt der Wärmeträger Wasser, der von einer Gasbrennwertwärmezelle auf ca. 110 °C erhitzt wird. Der erwärmte Zeolith gibt das gespeicherte Wasser ab - er desorbiert. Der so entstandene heiße Dampf verteilt sich im Modul, kühlt am unteren Teil des Moduls ab und kondensiert. Die dabei freigesetz-te Kondensationsenergie wird als Nutzwärme abgeführt. Am Ende der Desorptionsphase wird der Umweltkreis hydrau-lisch umgeschaltet. Die Wärmezufuhr zum Adsorber / Desorber wird unterbrochen, Druck und Temperatur im Modul sinken hier-durch ab. Sobald die Temperatur des Verdampfers / Kondensators unter das Temperaturniveau der Umgebungswärmequelle gesun-ken ist, wird die Solepumpe eingeschaltet. Damit wird dem Ver-dampfer „kalte“ Energie zugeführt. Das Kältemittel im unteren Teil des Moduls verdampft, der Kaltdampf strömt nach oben und wird vom Zeolith adsorbiert. Die Adsorptionswärme wird dann ebenfalls als Nutzwärme abgeführt. Die Verdampfung des Kältemittels bei niedriger Temperatur er-folgt mit kostenloser Energie aus einem herkömmlichen So-larkollektor. Da für eine Anlage von 10 bis 15 kW nur eine Um-weltleistung von bis zu 2 kW benötigt wird, reichen bereits 4 m² Flachkollektoren aus, um den Adsorptionsprozess zu decken.

Grafik 5A: Darstellung der Außen- und Kollektortemperaturen im Mess-zeitraum 22. – 29. 11. 2011.

Grafik 5B: Darstellung der Außen- und Kollektortemperaturen im Mess-zeitraum 22. – 29. 11. 2011.

Grafik 6: Differenz zwischen Kollektor- und Umgebungstemperatur bei Flach- und Vakuum-Röhrenkollektoren.

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Auch der solare Deckungsan-teil zeigt einen ähnlichen Kur-venverlauf, wobei der Einfluss der Aperturfläche quadratisch eingeht (Grafik 6).

Somit ergibt sich aus den Si-mulationen für den Deckungs-anteil folgender Zusammen-hang:

�sol ,Hz

mit A die Aperturfläche des Kol-

lektors in m2

��R ReferenzanteilAR² Quadrat der Referenzkol-

lektorfläche Qn  Geräteleistung

und den Parametern der Tabel-le 2:

Ein Verbrauchsvergleich bei einem Wechsel von einer Brenn-wert FB Anlage hin zu „zeo-THERM“ / Generation 3 zeigte eine Reduzierung von ca. 30 % im Gasverbrauch und entspricht damit den vorab genannten Er-gebnissen (Grafik 7).

Aber auch eine Radiatoren-anlage „Heizwert mit solarer Brauchwasserbereitung“ hin zu „zeoTHERM“ / Generation 4 (5 m² Aperturfläche Vakuum-röhre) reduzierte den Gasver-brauch um gute 30 % im Ver-gleich zum Vorjahr.

Eine dritte Anlage der GAS-AG zeigte eine Einsparung von 19 % bei einem Wechsel von einer Brennwert FB Anlage hin zu „zeoTHERM“ / Genera-tion 3.

Kollektorart �TR AR[K] [m2]

Flachkollektor 8.2 6.9

Vakuumröhre 16 6.9

Kollektorart ��R AR2

[kW] [m4]

Flachkollektor 2.3 80

Vakuumröhre 2.3 65

aufbau dEr zEolith-gaS-WärMEpuMpE „zEothErM“

Das Gerät misst bei einem Leergewicht von 160 kg ca. 80 cm Brei-te, 70 cm Tiefe und 170 cm Höhe. Zur leichteren Installation ist das Gerät in zwei Teile trennbar. In der Brennwert Unit (oberes Modul) ist neben der Gasarmatur und der Brennerregelung auch die Wär-mezelle untergebracht. Sie enthält den Brenner und den Primär-wärmetauscher. Die Gasarmatur und die Wärmezelle sowie Kom-ponenten der Hydraulik werden auch in anderen Produkten des Herstellers verwendet. Damit sind dem Fachhandwerker alle ser-vicerelevanten Komponenten bereits bekannt. Das wartungsfreie Zeolith-Modul und die Hydraulik des Gerätes befinden sich im unteren Modul der Zeolith Unit. Der Umfang der Gesamt-Wartungsarbeiten ist dadurch identisch mit dem bei her-kömmlichen Vaillant Gas-Brennwertgeräten mit solarer Warm-wasserbereitung. Die Beladung eines bivalenten Solarspeichers zur Brauchwasser-bereitung mithilfe einer „zeoTHERM“ ist problemlos möglich, die maximale Vorlauftemperatur beträgt dabei 75 °C. Die „zeoTHERM“ Gas-Wärmepumpe kann im System, bestehend aus Wärmepum-pe, bivalentem Solar-Warmwasserspeicher, Solarkollektoren, So-larstation und Hydraulikkomponenten oder auch mit Fremdkom-ponenten installiert werden.Durch die Wahl der Umweltwärmequelle Flachkollektor oder Va-kuum-Röhrenkollektor ist neben der Sorption auch eine direkte solare Warmwasserbereitung vorgesehen, welche auch parallel zur Adsorption möglich ist. Die kompakte Bauweise der Wärme-quellenanlage und die Installation auf dem Dach machen eine einfache Nachrüstung möglich. Daher kann die zeoTHERM auch im Baubestand eingesetzt werden.

Thermodynamische Prozesse bei der Desorption und Adsorption.

Grafik 8: Gegenüberstellung der Feldtestdaten ohne solare Heizungsun-terstützung und der Erwartungswerte (VDI 4650, Blatt 2 – ohne solare Heizungsunterstützung). Quelle: GWI Essen

Grafik 7: Deckungsgrad der solaren Direktheizung bei Vakuum-Röhren- und Flachkollektoren in Verbindung mit einer zeoTHERM Zeolith-Gas-Wärmepumpe mit 10 kW Heizleistung.

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Tabelle 1: Tabelle 2:

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Ein Vergleich der Jahresnut-zungsgrade der Feldtestanlagen mit den erwarteten Nutzungs-graden nach VDI 4650 Blatt 2, bei einem Heizsystem 35 °C / 28 °C zeigte trotz nicht idealer Bedingungen vieler Feldtestan-lagen eine Differenz unter 10 %. Dieses Ergebnis, welches vom Gas und Wärmeinstitut ausge-arbeitet wurde, zeigt, dass die VDI-Richtlinie das Zeolith-Sys-tem sehr gut beschreibt (Gra-fik 8).

Eine weitere Simulation ver-gleicht das Zeolith-System mit einer Anlage bestehend aus einem Brennwertgerät mit so-larer Heizungsunterstützung.

Um gleiche Systemwirkungs-grade wie ein Zeolithsystem zu erreichen, benötigt man ein Brennwertsystem mit einem 1400-l-Pufferspeicher und etwa 25 m² Kollektoraperturfläche.

So ist es möglich, mit einem Zeolith-System mit 7 m² Kol-lektorfläche ein Brennwertsys-tem mit 25 m² Kollektorfläche zu ersetzen. Dies würde einem Kollektorflächenverhältnis von 1 : 3,5 entsprechen.

Erhebliche Effizienzsteigerung

Zusammenfassend ist festzu-halten, dass die Zeolith Wärme-pumpen von Vaillant eine Effi-

zienzverbesserung von bis zu 45 % im Vergleich zu einer Brennwertanlage erzielen kön-nen.

Dabei erweisen sich folgende Parameter als positiv:

• kleiner Wärmebedarf,• niedrige Heiztemperaturen,• hohe Sonneneinstrahlung auf

die Kollektoren,• Röhrenkollektoren bei hö-

heren Heiztemperaturen,• Brauchwasserspeicher nicht

größer als für den Bedarf not-wendig.

Die Anlagen liefen im Feld sehr zuverlässig und zur Zu-friedenheit der Kunden. Die VDI

4650 Blatt 2 beschreibt das Vail-lant Zeolith-System damit sehr genau. ■

Bilder: Vaillant

Beispiel der direkten Warmwasserbereitung durch die Solarkollektoren während der Desorptionsphase im Zeolith-Modul.

Molekularstruktur des Zeolith und Sodalithkäfig.

Aufbau des Gesamtsystems der Zeolith-Gas-Wärmepumpe.Darstellung der Prozesse der Desorptions- und Adsorptionsphase in der Zeolith-Gas-Wärmepumpe.

KontaKt

Vaillant Deutschland GmbH & Co.KG42859 RemscheidTel. 02191 180Fax 02191 182810info@vaillant.dewww.vaillant.de

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Ein Vergleich der Jahresnut-zungsgrade der Feldtestanlagen mit den erwarteten Nutzungs-graden nach VDI 4650 Blatt 2, bei einem Heizsystem 35 °C / 28 °C zeigte trotz nicht idealer Bedingungen vieler Feldtestan-lagen eine Differenz unter 10 %. Dieses Ergebnis, welches vom Gas und Wärmeinstitut ausge-arbeitet wurde, zeigt, dass die VDI-Richtlinie das Zeolith-Sys-tem sehr gut beschreibt (Gra-fik 8).

Eine weitere Simulation ver-gleicht das Zeolith-System mit einer Anlage bestehend aus einem Brennwertgerät mit so-larer Heizungsunterstützung.

Um gleiche Systemwirkungs-grade wie ein Zeolithsystem zu erreichen, benötigt man ein Brennwertsystem mit einem 1400-l-Pufferspeicher und etwa 25 m² Kollektoraperturfläche.

So ist es möglich, mit einem Zeolith-System mit 7 m² Kol-lektorfläche ein Brennwertsys-tem mit 25 m² Kollektorfläche zu ersetzen. Dies würde einem Kollektorflächenverhältnis von 1 : 3,5 entsprechen.

Erhebliche Effizienzsteigerung

Zusammenfassend ist festzu-halten, dass die Zeolith Wärme-pumpen von Vaillant eine Effi-

zienzverbesserung von bis zu 45 % im Vergleich zu einer Brennwertanlage erzielen kön-nen.

Dabei erweisen sich folgende Parameter als positiv:

• kleiner Wärmebedarf,• niedrige Heiztemperaturen,• hohe Sonneneinstrahlung auf

die Kollektoren,• Röhrenkollektoren bei hö-

heren Heiztemperaturen,• Brauchwasserspeicher nicht

größer als für den Bedarf not-wendig.

Die Anlagen liefen im Feld sehr zuverlässig und zur Zu-friedenheit der Kunden. Die VDI

4650 Blatt 2 beschreibt das Vail-lant Zeolith-System damit sehr genau. ■

Bilder: Vaillant

Beispiel der direkten Warmwasserbereitung durch die Solarkollektoren während der Desorptionsphase im Zeolith-Modul.

Molekularstruktur des Zeolith und Sodalithkäfig.

Aufbau des Gesamtsystems der Zeolith-Gas-Wärmepumpe.Darstellung der Prozesse der Desorptions- und Adsorptionsphase in der Zeolith-Gas-Wärmepumpe.

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